Lagenaufbau legt geringe oder hohe Wärmespreizung fest

Der Lagenaufbau hat maßgeblichen Einfluss auf die Stromtragfähigkeit. Die Stromtragfähigkeit verdoppelt sich, wenn zwei Masseinnenlagen vorhanden sind, die keine Eigenerwärmung haben. Folglich erhöht eine Wärmespreizung durch solche Masselagen die Strombelastbarkeit. Weitere Einflussfaktoren sind das Verhältnis der Leiterbahnbreite zur Leiterbahnhöhe, die Umgebungstemperatur und die Anordnung benachbarter Leiterbahnen. Möglichst viel und richtig angeordnetes passives Kupfer neben, unter oder über den eigentlichen stromführenden Leiterbahnen im Leiterplattenaufbau begünstigt die Stromtragfähigkeit und die Entwärmung dieser Leiterbahnen. Diagramme und Tabellen dazu stellt der Leiterplattenhersteller zur Verfügung. Typisch für Leistungstransistoren sind ihre Leit- und Schaltverluste. Ein thermisch optimiertes PCB-Design trägt maßgeblich zur Entwärmung der Leistungsteile bei, die meist heißer werden als der Hochstromleiter. Der Aufwand lohnt sich: jedes Grad niedrigere Junction-Temperatur erhöht die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Leistungshalbleiter. Die typischen Design-Maßnahmen für Leistungsbaugruppen sind:

• Je nach MOT (Maximum Operating Temperature) Basismaterial bzgl. TG wählen (130, 150, 170, …).

• Je nach Temperaturhub und Zyklenanzahl den dementsprechenden CTE(Z) wählen (70, 50, 40 ppm/K).

• Bei erhöhter Luftfeuchtigkeit im Einsatz CAF-beständiges Material auswählen.

Während IGBTs direkt auf einem Kühlkörper montiert sind, verursachen MOSFETs im SMD-Gehäuse punktuelle Hotspots auf der Leiterplatte. Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt das gesamte thermische Konzept des PCB-Designs. Zur schnellen Wärmeableitung kombiniert man Thermovias (durchkontaktierte Bohrungen) mit einem wärmetechnisch optimierten Lagenaufbau. Über Micro- und Thermovias lassen sich die Leistungsbauteile in Kombination mit Kupferprofilen auf Innenlagen effizient durch die Leiterplatte zu einem Kühlkörper entwärmen.

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Der durchgängige Pfad aus Kupfer von der Quelle bis zur Senke leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm ist es möglich, mehr als 400 durchkontaktierte Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,25 mm zu platzieren, womit die Fläche dann zu 10% aus Kupfer besteht. Mit dieser Design-Maßnahme erhöht sich die effektive Wärmeleitfähigkeit der FR4-Fläche auf 30 W/m·K. Damit ist diese Konstruktion hundertmal besser wärmeleitend als FR4 und noch zehnmal besser leitend als die besten Wärmeleitsubstrate.

Beispiel: Motorsteuerung mit cleverer Entwärmung

Alle Möglichkeiten der HSMtec-Leiterplatte (Feinstleiter und Hochstrom, Wärmeableitung von MOSFETs und auch 3D-Konstruktionen in einem Produkt) nutzt eine CAN-basierte intelligente Lüftersteuerung für Nutzfahrzeuge. In der Steuereinheit müssen acht Halbbrücken mit 3 x 15 A Leitungen zu den Steckern angeschlossen sein. Im Betrieb darf die Umgebungstemperatur maximal 80 °C erreichen. Das thermische Management der Motorsteuerung haben die Entwickler über eine dreidimensionale Konstruktion gelöst: Die Entwärmung der Halbbrücken erfolgt über zwei Biegekanten zu Leiterplattenlaschen, die in einem Standardkunststoffgehäuse mit einem Aluminium-Kühlkörper verklebt werden.

Die Laschen befinden sich an zwei gegenüberliegenden Seiten und werden nach dem Bestücken der Leiterplatte um 90° nach oben gebogen. Die integrierten Kupferprofile verteilen die Wärme der Leistungshalbleiter und führen sie über die Biegekanten und Leiterplattenlaschen zur Gehäusewand auf einen Aluminium-Kühlkörper.

Auf der nur 197,35 mm x 152,40 mm kleinen Grundfläche des 4-Lagen Multilayers befinden sich 12 mm breite Profile auf Lage 1 über Biegekanten zum Entwärmen der Halbbrücken, dazu 2 mm, 4 mm und 8 mm breite Profile auf Lage 1 für die Ströme von 15 und 60 A. 2 mm und 4 mm breite Kupferprofile sind auf der Bottom-Seite für die Ströme 15 und 60 A vorhanden.

* Ralph Fiehler, Johann Hackl und Johannes Schauer arbeiten im Entwicklungs- und Applikationsteam der KSG Leiterplatten.

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